被用來計(jì)算底摩阻系數(shù)，屬于可率定參 數(shù)，計(jì)算時(shí)需要采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該參數(shù)及其空間分布采用"trial and error"方法進(jìn)行率 定。
[0034] S4、建立邊界條件和初始條件；邊界條件反應(yīng)了模型范圍以外的海洋動(dòng)力對(duì)模型 內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)作用。
[0035] S5、基于改進(jìn)型淺水方程，將步驟S1-S4中的數(shù)據(jù)輸入至改進(jìn)型淺水方程，在所述 主網(wǎng)格上執(zhí)行改進(jìn)型淺水方程的離散和計(jì)算，在所述子網(wǎng)格上計(jì)算孔隙率Θ、等效水深Y 和等效底摩阻系數(shù)Cd，最終計(jì)算輸出目標(biāo)海域的流速、水位結(jié)果，所述改進(jìn)型淺水方程為：

[0039] 式中η為主網(wǎng)格水位，P和Q分別為所述主網(wǎng)格X和y方向上的流量，Θ為所述 主網(wǎng)格內(nèi)濕的子網(wǎng)格個(gè)數(shù)占其所在主網(wǎng)格的總子網(wǎng)格個(gè)數(shù)的比例，也即孔隙率，Y為等效水 深，也即所述主網(wǎng)格上所有濕的子網(wǎng)格水深的平均，C d為等效底摩阻，也即所述主網(wǎng)格的底 摩阻，R為水體黏性導(dǎo)致的剪切應(yīng)力張量。
[0040] 本實(shí)施例的灘淺海水動(dòng)力模擬方法，不同于傳統(tǒng)水動(dòng)力模型中地形數(shù)據(jù)和計(jì)算網(wǎng) 格采用同一套網(wǎng)格的做法，本發(fā)明同時(shí)采用兩套網(wǎng)格，即較粗的主網(wǎng)格和較細(xì)的子網(wǎng)格。每 個(gè)主網(wǎng)格中包含若干子網(wǎng)格，淺水方程的離散和計(jì)算在主網(wǎng)格上執(zhí)行，而高精度的地形和 底摩阻信息在子網(wǎng)格上給出，計(jì)算過程中，高精度子網(wǎng)格上的信息以孔隙率、等效水深、等 效底摩阻的形式反饋到主網(wǎng)格上。主網(wǎng)格計(jì)算效率高，而子網(wǎng)格的信息精度高，本發(fā)明結(jié) 合了這兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，提高了計(jì)算速度的同時(shí)增加了計(jì)算精度。本實(shí)施例的灘淺海多尺度水動(dòng) 力模擬方法，假設(shè)主網(wǎng)格內(nèi)水位一致、水流方向一致，且摩阻坡度在子網(wǎng)格上的變化可以忽 略，考慮水深、底摩阻、流速在子網(wǎng)格尺度上空間變化的等效底摩阻系數(shù)。
[0041] 本實(shí)施例中采用改進(jìn)型淺水方程，與傳統(tǒng)的淺水方程相比，改進(jìn)方程中出現(xiàn)了系 數(shù)Θ，該變量在物理意義上可將其看成孔隙率，以考慮主網(wǎng)格為部分干部分濕的狀態(tài)，可定 義為濕的子網(wǎng)格個(gè)數(shù)占所在主網(wǎng)格的總子網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)的比例，
[0042] 所述孔隙率Θ的計(jì)算方法如下：
[0044] 其中，A為主網(wǎng)格的面積，hs為子網(wǎng)格水深，ζ為子網(wǎng)格實(shí)際水面位置，Hs為該子 網(wǎng)格的總水深，對(duì)于空間任意一點(diǎn)X，定義其狀態(tài)函數(shù)Φ (X)，如果該點(diǎn)為濕時(shí)其值為1，反 之則為0,表達(dá)式：
[0046] 所述等效水深Y的計(jì)算方法如下：
[0048] 所述等效底摩阻系數(shù)Cd的計(jì)算方法如下：

·'〇
[0051] 所述步驟S5中，離散后的改進(jìn)型淺水方程為：
[0058] 將該式代入到連續(xù)性方程，得到一組混合微分-差分方程：
[0060] 混合微分-差分方程優(yōu)選采用奇偶跳點(diǎn)法分兩步進(jìn)行求解，可以求解出主網(wǎng)格水 位η，進(jìn)而可以通過改進(jìn)型淺水方程求得P和Q，也即獲得模擬灘淺海水動(dòng)力的主要參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)灘淺海水動(dòng)力模擬。
[0061] 步驟S4中，邊界條件反應(yīng)了模型范圍以外的海洋動(dòng)力對(duì)模型內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)作用。對(duì) 于不同的資料收集程度，本步驟給出不同的邊界條件獲取方法。對(duì)于平面二維水動(dòng)力模型， 邊界條件僅需給出水位一個(gè)變量即可滿足數(shù)值模型的適定性。當(dāng)計(jì)算范圍較大、邊界位于 外海處時(shí)，很難保證邊界上每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)都有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此可以采用所在海域已有的其 他大區(qū)域海洋模型進(jìn)行嵌套計(jì)算，即大模型在小模型的邊界處輸出水位時(shí)間序列，并采用 空間上線性插值、時(shí)間上二次插值的方法獲得邊界上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位邊界條件。當(dāng)計(jì)算范 圍較小、邊界附近設(shè)有潮位觀測(cè)站時(shí)，可以根據(jù)實(shí)測(cè)的水位時(shí)間序列，采用空間上線性插 值、時(shí)間上二次插值的方法，獲得模型邊界每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的水位邊界條件。對(duì)于初始水位 場(chǎng)和流速場(chǎng)，由于初始條件對(duì)水動(dòng)力的影響在幾個(gè)潮周期后即可消去，故可設(shè)為零，即冷啟 動(dòng)。
[0062] 所述步驟S5中，還包括定義主網(wǎng)格上的變量MASK的步驟，其位置位于主網(wǎng)格的中 心，MASK值與所述主網(wǎng)格的等效水深有關(guān)，如圖2所示，其判斷方法如下：
[0063] MASKlj j= I if Ylj ^ 0
[0064] MASKlj j= 0 if Ylj j^ 0
[0065] 其中，MASK = 0代表該主網(wǎng)格為干，MASK = 1代表該主網(wǎng)格為濕，i，j分別為主網(wǎng) 格在X和y方向上的網(wǎng)格編號(hào)；
[0066] 參考MASK的值，給出干濕條件，當(dāng)同時(shí)滿足如下兩條件時(shí)，關(guān)閉x向的流量，即令 P等于0 :
[0067] a、該X向的流量所通過的網(wǎng)格面兩側(cè)形成干濕界限，也即MASK^j= 1且MASK i+1」 =〇 ；
[0068] b、該x向的流量所通過的網(wǎng)格面兩側(cè)的主網(wǎng)格至少一側(cè)的等效水深小于臨界值；
[0069] 當(dāng)同時(shí)滿足如下兩條件時(shí)，關(guān)閉y向的流量，即令Q等于0 :
[0070] a、該y向的流量所通過的網(wǎng)格面兩側(cè)形成干濕界限，也即MASKli廣1且MASK li j+1 =〇 ；
[0071] b、該y向的流量所通過的網(wǎng)格面兩側(cè)的主網(wǎng)格至少一側(cè)的等效水深小于臨界值。
[0072] 孔隙率Θ、等效水深Y和等效底摩阻系數(shù)Cd的計(jì)算均需要在子網(wǎng)格尺度上進(jìn)行 積分得到，且每一個(gè)時(shí)間步都需要更新，因此仍然需要耗費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間。在這幾個(gè)變 量的計(jì)算中，只有主網(wǎng)格水位η是未知的。因此對(duì)于預(yù)定的一系列離散水位值，我們可以 預(yù)先計(jì)算出相應(yīng)的孔隙率Θ、等效水深Y和等效底摩阻系數(shù)Cd的值；將這些值存儲(chǔ)在內(nèi)存 中，在模型運(yùn)行的每個(gè)時(shí)間步上，采用插值或者多項(xiàng)式擬合的方法可以獲得連續(xù)的變量值， 從而避免了每步都進(jìn)行繁瑣的積分計(jì)算?？偨Y(jié)出來即為"預(yù)先計(jì)算一一儲(chǔ)存查找表一一插 值或多項(xiàng)式擬合"，下面詳細(xì)給出預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)孔隙率Θ、等效水深Y、以及等效底摩阻系 數(shù)Cd的步驟的具體方法。包括：
[0073] 首先，設(shè)定水位值η '的變化步長Δ η，得到一組離散水位值，η_〈 η '〈 ，定 義離散水位值：
，
[0075] 其次，預(yù)先計(jì)算出上述離散水位值nk下的孔隙率Θ k、等效水深Yk和等效底摩阻 系數(shù)Cd,k，并存儲(chǔ)在內(nèi)存中；當(dāng)采用多項(xiàng)式擬合時(shí)，則存儲(chǔ)多項(xiàng)式的系數(shù)。
[0076] 最后，在每一個(gè)時(shí)間步上，采用插值或者多項(xiàng)式擬合的方法獲取連續(xù)的變量值 ? (n)，Y (n)和 Cd (n)。
[0077] 在采用插值或者多項(xiàng)式擬合的方法獲取連續(xù)的變量值步驟中，以孔隙率的多項(xiàng)式 擬合方法為例，其計(jì)算公式為：
[0079] 其中Zlciw是該主網(wǎng)格中底高程的最小值，z hlgh為該主網(wǎng)格中底高程的最大值。
[0080] 為了驗(yàn)證本模擬方法的精確性，還包括模型率定和驗(yàn)證的步驟。模型率定的主要 參數(shù)為曼寧系數(shù)，采用方法一般為試算法，將步驟S5中計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì) 比，根如果模擬的流速偏大、水位偏高，則可以調(diào)高曼寧系數(shù)；反之則可以調(diào)低曼寧系數(shù)。一 般來說，當(dāng)模擬水位與實(shí)測(cè)水位的相關(guān)系數(shù)達(dá)到〇. 9,流速的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0. 7,即可認(rèn)為 模擬結(jié)果可以較好的反映真實(shí)的水動(dòng)力環(huán)境。
[0081] 模擬結(jié)果處理和分析。模型計(jì)算可以獲得整個(gè)區(qū)域的水位場(chǎng)、流速場(chǎng)、底部剪切應(yīng) 力等水動(dòng)力要素。采用Matlab對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理、繪圖，分析潮汐水位的漲落規(guī)律，以及 漲急、落急、漲憩、落憩流場(chǎng)的分布，根據(jù)底部剪切應(yīng)力的分布，可以預(yù)測(cè)容易發(fā)生侵蝕或泥 沙淤積的地區(qū)。這些結(jié)果可以為灘淺海的工程建設(shè)、環(huán)境生態(tài)預(yù)測(cè)提